První princip laseru, jehož fyzika byla založena na Planckově zákonu záření, teoreticky doložil Einstein v roce 1917. Popsal absorpci, spontánní a stimulované elektromagnetické záření pomocí koeficientů pravděpodobnosti (Einsteinovy koeficienty).
Pionýři
Theodor Meiman jako první předvedl princip fungování rubínového laseru založeného na optickém čerpání syntetického rubínu pomocí zábleskové lampy, která produkovala pulzní koherentní záření o vlnové délce 694 nm.
V roce 1960 vytvořili íránští vědci Javan a Bennett první plynový kvantový generátor využívající směs plynů He a Ne v poměru 1:10.
V roce 1962 předvedl RN Hall první arsenid galia (GaAs) vyzařující diodový laser na vlnové délce 850 nm. Později téhož roku Nick Golonyak vyvinul první polovodičový kvantový generátor viditelného světla.
Konstrukce a princip činnosti laserů
Každý laserový systém se skládá z umístěného aktivního médiamezi dvojicí opticky rovnoběžných a vysoce reflexních zrcadel, z nichž jedno je průsvitné, a zdrojem energie pro její čerpání. Zesilovacím médiem může být pevná látka, kapalina nebo plyn, který má tu vlastnost, že zesiluje amplitudu světelné vlny, která jím prochází, stimulovanou emisí s elektrickým nebo optickým čerpáním. Látka je umístěna mezi dvojici zrcadel tak, že světlo, které se v nich odráží, jí pokaždé prochází a po dosažení výrazného zesílení proniká průsvitným zrcadlem.
Dvouvrstvá prostředí
Uvažujme princip fungování laseru s aktivním prostředím, jehož atomy mají pouze dvě energetické úrovně: excitovanou E2 a základní E1 . Pokud jsou atomy excitovány do stavu E2 jakýmkoliv čerpacím mechanismem (optickým, elektrickým výbojem, přenosem proudu nebo ostřelováním elektrony), vrátí se po několika nanosekundách zpět do zemské polohy a emitují fotony. energie hν=E 2 - E1. Podle Einsteinovy teorie je emise produkována dvěma různými způsoby: buď je indukována fotonem, nebo k ní dochází spontánně. V prvním případě probíhá stimulovaná emise a ve druhém spontánní emise. Při tepelné rovnováze je pravděpodobnost stimulované emise mnohem nižší než spontánní emise (1:1033), takže většina konvenčních zdrojů světla je nekoherentní a generování laseru je možné za jiných než tepelných podmínek. rovnováha.
I s velmi silnoučerpání, populace dvouúrovňových systémů lze pouze vyrovnat. K dosažení inverze populace optickými nebo jinými metodami čerpání jsou proto vyžadovány tří- nebo čtyřúrovňové systémy.
Víceúrovňové systémy
Jaký je princip tříúrovňového laseru? Ozáření intenzivním světlem o frekvenci ν02 pumpuje velké množství atomů z nejnižší energetické hladiny E0 na nejvyšší energetickou hladinu E 2. Nezářivý přechod atomů z E2 na E1 vytváří populační inverzi mezi E1 a E 0 , což je v praxi možné pouze tehdy, když jsou atomy v metastabilním stavu po dlouhou dobu E1, a přechod z E2to E 1 jde rychle. Principem činnosti tříúrovňového laseru je splnění těchto podmínek, díky kterým mezi E0 a E1 dochází k inverzi populace a fotony jsou zesíleny energií indukovanou emisí E 1-E0. Širší úroveň E2 by mohla zvýšit rozsah absorpce vlnových délek pro účinnější čerpání, což má za následek zvýšení stimulované emise.
Tříúrovňový systém vyžaduje velmi vysoký výkon čerpadla, protože nižší úroveň zapojená do výroby je základní. V tomto případě, aby došlo k populační inverzi, musí být více než polovina celkového počtu atomů přečerpána do stavu E1. Při tom dochází k plýtvání energií. Čerpací výkon může být značnýsnížit, pokud nižší generační úroveň není základní, což vyžaduje alespoň čtyřúrovňový systém.
V závislosti na povaze účinné látky se lasery dělí do tří hlavních kategorií, a to na pevné, kapalné a plynné. Od roku 1958, kdy byl laser poprvé pozorován v rubínovém krystalu, vědci a výzkumníci studovali širokou škálu materiálů v každé kategorii.
Solid State Laser
Princip činnosti je založen na použití aktivního prostředí, které vzniká přidáním kovu přechodové skupiny do izolační krystalové mřížky (Ti+3, Cr +3, V+2, С+2, Ni+2, Fe +2 atd.), ionty vzácných zemin (Ce+3, Pr+3, Nd +3, Pm+3, Sm+2, Eu +2, +3 , Tb+3, Dy+3, Ho+3 , Er +3, Yb+3 atd.) a aktinidy jako U+3. Energetické hladiny iontů jsou zodpovědné pouze za generování. Fyzikální vlastnosti základního materiálu, jako je tepelná vodivost a tepelná roztažnost, jsou zásadní pro efektivní provoz laseru. Uspořádání atomů mřížky kolem dopovaného iontu mění jeho energetické hladiny. Různých vlnových délek generování v aktivním médiu je dosaženo dopováním různých materiálů stejným iontem.
Holmium laser
Příkladem pevnolátkového laseru je kvantový generátor, ve kterém holmium nahrazuje atom základní substance krystalové mřížky. Ho:YAG je jedním z nejlepších materiálů generace. Princip činnosti holmiového laseru spočívá v tom, že yttrium-hliníkový granát je dopován holmiovými ionty, opticky čerpán zábleskovou lampou a emituje na vlnové délce 2097 nm v IR oblasti, která je dobře absorbována tkáněmi. Tento laser se používá k operacím kloubů, při léčbě zubů, k odpařování rakovinných buněk, ledvinových a žlučníkových kamenů.
Polovodičový kvantový generátor
Kvantové vrtné lasery jsou levné, masově produkovatelné a snadno škálovatelné. Princip činnosti polovodičového laseru je založen na použití p-n přechodové diody, která produkuje světlo o určité vlnové délce rekombinací nosiče při kladném předpětí, podobně jako LED. LED emitují spontánně a laserové diody - nucené. Aby byla splněna podmínka inverze populace, musí provozní proud překročit prahovou hodnotu. Aktivní médium v polovodičové diodě má podobu spojovací oblasti dvou dvourozměrných vrstev.
Princip činnosti tohoto typu laseru je takový, že k udržení oscilací není potřeba žádné vnější zrcadlo. K tomuto účelu stačí odrazivost vytvořená indexem lomu vrstev a vnitřní odraz aktivního prostředí. Koncové plochy diod jsou odštípnuty, což zajišťuje, že odrazné plochy jsou rovnoběžné.
Spojení tvořené polovodičovými materiály stejného typu se nazývá homojunkce a spojení vytvořené spojením dvou různých se nazýváheteropřechod.
Polovodiče typu P a n s vysokou hustotou nosičů tvoří p-n přechod s velmi tenkou (≈1 µm) ochuzující vrstvou.
Plynový laser
Princip činnosti a použití tohoto typu laseru umožňuje vytvářet zařízení téměř libovolného výkonu (od miliwattů po megawatty) a vlnových délek (od UV po IR) a umožňuje pracovat v pulzním i kontinuálním režimu. Na základě povahy aktivních médií existují tři typy plynových kvantových generátorů, jmenovitě atomové, iontové a molekulární.
Většina plynových laserů je napumpována elektrickým výbojem. Elektrony ve výbojce jsou urychlovány elektrickým polem mezi elektrodami. Srážejí se s atomy, ionty nebo molekulami aktivního média a vyvolávají přechod na vyšší energetické hladiny, aby bylo dosaženo inverzního stavu populace a stimulované emise.
Molekulární laser
Funkční princip laseru je založen na skutečnosti, že na rozdíl od izolovaných atomů a iontů mají molekuly v atomových a iontových kvantových generátorech široká energetická pásma diskrétních energetických hladin. Kromě toho má každá úroveň elektronické energie velký počet vibračních úrovní a ty zase mají několik rotačních úrovní.
Energie mezi úrovněmi elektronické energie je v UV a viditelných oblastech spektra, zatímco mezi vibračně-rotačními úrovněmi - ve vzdáleném a blízkém IRoblasti. Většina molekulárních kvantových generátorů tedy pracuje ve vzdálených nebo blízkých infračervených oblastech.
Excimerové lasery
Excimery jsou molekuly jako ArF, KrF, XeCl, které mají oddělený základní stav a jsou stabilní na první úrovni. Princip činnosti laseru je následující. Zpravidla je počet molekul v základním stavu malý, takže přímé čerpání ze základního stavu není možné. Molekuly se tvoří v prvním excitovaném elektronickém stavu spojením vysokoenergetických halogenidů s inertními plyny. Populace inverze je snadno dosažena, protože počet molekul na základní úrovni je příliš malý ve srovnání s excitovanou. Principem činnosti laseru je ve zkratce přechod z vázaného excitovaného elektronického stavu do disociativního základního stavu. Populace v základním stavu vždy zůstává na nízké úrovni, protože molekuly v tomto bodě disociují na atomy.
Zařízení a princip činnosti laserů spočívá v tom, že výbojová trubice je naplněna směsí halogenidu (F2) a plynu vzácných zemin (Ar). Elektrony v něm disociují a ionizují molekuly halogenidu a vytvářejí záporně nabité ionty. Pozitivní ionty Ar+ a negativní F- reagují a produkují molekuly ArF v prvním excitovaném vázaném stavu s jejich následným přechodem do odpudivého základního stavu a generováním koherentní záření. K pumpování lze použít excimerový laser, jehož princip fungování a použití nyní zvažujemeaktivní médium na barvivech.
Tekutý laser
Ve srovnání s pevnými látkami jsou kapaliny homogennější a mají vyšší hustotu aktivních atomů než plyny. Kromě toho se snadno vyrábějí, umožňují snadný odvod tepla a lze je snadno vyměnit. Princip fungování laseru spočívá v použití organických barviv jako aktivního média, jako je DCM (4-dikyanomethylen-2-methyl-6-p-dimethylaminostyryl-4H-pyran), rhodamin, styryl, LDS, kumarin, stilben atd. …, rozpuštěné ve vhodném rozpouštědle. Roztok molekul barviva je excitován zářením, jehož vlnová délka má dobrý absorpční koeficient. Principem fungování laseru je ve zkratce generování na delší vlnové délce, zvané fluorescence. Rozdíl mezi absorbovanou energií a emitovanými fotony je využíván neradiačními energetickými přechody a zahřívá systém.
Širší fluorescenční pásmo kapalných kvantových generátorů má jedinečnou vlastnost – ladění vlnové délky. Princip činnosti a použití tohoto typu laseru jako laditelného a koherentního zdroje světla je stále důležitější ve spektroskopii, holografii a biomedicínských aplikacích.
V poslední době se pro separaci izotopů používají kvantové generátory barviv. V tomto případě laser selektivně excituje jeden z nich a vyzve ho, aby vstoupil do chemické reakce.
